เตาเหล็กอาร์ค: อุปกรณ์ หลักการทำงาน กำลังไฟฟ้า ระบบควบคุม

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

เตาหลอมเหล็กอาร์ค (EAF) เป็นอุปกรณ์ที่ทำให้วัสดุร้อนโดยการดัดด้วยไฟฟ้า

เครื่องใช้ในอุตสาหกรรมมีขนาดตั้งแต่หน่วยขนาดเล็ก กำลังประมาณหนึ่งตัน (ใช้ในโรงหล่อเพื่อทำผลิตภัณฑ์เหล็กหล่อ) ถึง 400 หน่วยต่อตัน ใช้สำหรับรีไซเคิลเหล็ก เตาหลอมเหล็กอาร์ค EAF ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการวิจัยอาจมีความจุเพียงไม่กี่สิบกรัม อุณหภูมิของอุปกรณ์อุตสาหกรรมสามารถสูงถึง 1800 °C (3272 °F) ในขณะที่การติดตั้งในห้องปฏิบัติการเกิน 3000 °C (5432 °F)

เตาหลอมเหล็กอาร์ค (EAFs) แตกต่างจากเตาแม่เหล็กไฟฟ้าตรงที่วัสดุที่บรรจุจะถูกดัดด้วยไฟฟ้าโดยตรง และกระแสไฟฟ้าที่ขั้วจะไหลผ่านวัสดุที่มีประจุ

ก่อสร้าง

เตาเหล็กอาร์คใช้สำหรับการผลิตเหล็กและประกอบด้วยภาชนะทนไฟ ส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสามส่วน:

• เปลือกซึ่งประกอบด้วยผนังด้านข้างและด้านล่างเป็นเหล็กชาม
• พาเลทที่ทำจากวัสดุทนไฟ
• หลังคา. สามารถใช้กับซับในทนความร้อนหรือระบายความร้อนด้วยน้ำ และมันยังทำในรูปแบบของลูกบอลหรือกรวยที่ถูกตัดทอน (ส่วนทรงกรวย) หลังคายังรองรับเดลต้าวัสดุทนไฟที่จุดศูนย์กลางซึ่งจะมีขั้วไฟฟ้ากราไฟต์หนึ่งตัวหรือมากกว่าเข้ามา

ของใช้ส่วนตัว

เตาอาจมีรูปทรงครึ่งวงกลมและจำเป็นต้องใช้ในเตาหลอมนอกรีตเพื่อกรีดด้านล่าง ในโรงงานที่ทันสมัย เตาหลอมเหล็กอาร์ค - EAF 5 - มักจะถูกยกขึ้นเหนือพื้นดินเพื่อให้สามารถเคลื่อนทัพพีและหม้อตะกรันได้อย่างง่ายดายภายใต้ปลายทั้งสองข้าง แยกออกจากโครงสร้างคือส่วนรองรับอิเล็กโทรดและระบบไฟฟ้า รวมถึงแท่นเอียงที่เครื่องมือวาง

เครื่องมือพิเศษ

เตาหลอมอาร์คหลอมเหล็กทั่วไปของ EAF 3 ใช้พลังงานจากแหล่งสามเฟส ดังนั้นจึงมีอิเล็กโทรดสามขั้ว พวกเขามีส่วนกลมและตามกฎแล้วส่วนที่มีการเชื่อมต่อแบบเกลียวเพื่อให้สามารถเพิ่มองค์ประกอบใหม่ในขณะที่สวมใส่ได้

ส่วนโค้งเกิดขึ้นระหว่างวัสดุที่มีประจุและอิเล็กโทรด ประจุจะถูกทำให้ร้อนทั้งโดยกระแสที่ไหลผ่านและพลังงานที่แผ่ออกมาจากคลื่น อุณหภูมิถึงประมาณ 3000 °C (5000 °F) ทำให้ส่วนล่างของอิเล็กโทรดเรืองแสงเหมือนหลอดไส้เมื่อเตาอาร์คทำงาน

องค์ประกอบจะถูกยกขึ้นและลดลงโดยอัตโนมัติโดยระบบกำหนดตำแหน่งที่สามารถใช้ไฟฟ้าใดๆกว้าน รอก หรือกระบอกไฮดรอลิก ระเบียบนี้รักษากระแสคงที่โดยประมาณ การใช้พลังงานของเตาอาร์คคืออะไร? โดยจะคงไว้ซึ่งค่าคงที่ในระหว่างการหลอมประจุ แม้ว่าเศษเหล็กอาจเคลื่อนที่ภายใต้อิเล็กโทรดขณะที่ละลาย ปลอกเสาที่ยึดองค์ประกอบสามารถบรรทุกบัสบาร์หนัก (ซึ่งสามารถเป็นท่อทองแดงกลวงที่ระบายความร้อนด้วยน้ำเพื่อจ่ายกระแสไฟไปยังแคลมป์) หรือ "ปลอกร้อน" โดยที่ส่วนบนทั้งหมดมีประจุซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ

ชนิดหลังสามารถทำจากเหล็กชุบทองแดงหรืออลูมิเนียม สายเคเบิลระบายความร้อนด้วยน้ำขนาดใหญ่เชื่อมต่อบัสบาร์หรือโครงยึดกับหม้อแปลงไฟฟ้าที่อยู่ติดกับเตาอบ มีการติดตั้งเครื่องมือที่คล้ายกันในการจัดเก็บและระบายความร้อนด้วยน้ำ

การแตะและการทำงานอื่นๆ

เตาหลอมเหล็ก EAF 50 สร้างขึ้นบนแท่นเอียงเพื่อให้สามารถเทเหล็กเหลวลงในภาชนะอื่นเพื่อการขนส่งได้ การเอียงเพื่อถ่ายโอนเหล็กหลอมเหลวเรียกว่าการกรีด ในขั้นต้น ห้องนิรภัยที่ใช้ทำเหล็กทั้งหมดของเตาอาร์คมีรางระบายที่ปิดด้วยวัสดุทนไฟ ซึ่งถูกชะล้างออกเมื่อเอียง

แต่บ่อยครั้งที่อุปกรณ์ที่ทันสมัยมักจะมีวาล์วทางออกด้านล่างประหลาด (EBT) เพื่อลดการรวมตัวของไนโตรเจนและตะกรันลงในเหล็กเหลว เตาอบเหล่านี้มีช่องเปิดที่ไหลในแนวตั้งผ่านเตาและเปลือก และอยู่ตรงกลางใน "รางน้ำ" รูปไข่แคบ เต็มแล้วทรายทนไฟ

พืชสมัยใหม่อาจมีเปลือกสองเปลือกที่มีอิเล็กโทรดชุดเดียวที่ส่งผ่านระหว่างพวกมัน ส่วนแรกให้ความร้อนกับเศษเหล็ก ส่วนอีกส่วนใช้สำหรับการหลอม เตาไฟฟ้ากระแสตรงอื่นๆ มีเลย์เอาต์ที่คล้ายกัน แต่มีอิเล็กโทรดสำหรับปลอกแต่ละฝักและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หนึ่งชุด

องค์ประกอบของออกซิเจน

เตาไฟฟ้ากระแสสลับมักจะมีจุดร้อนและเย็นตามแนวขอบของเตา ซึ่งอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้า ในยุคปัจจุบันมีการติดตั้งหัวเผาเชื้อเพลิงออกซิเจนที่ผนังด้านข้าง พวกมันถูกใช้เพื่อจ่ายพลังงานเคมีให้กับโซนลบ ซึ่งทำให้ความร้อนของเหล็กมีความสม่ำเสมอมากขึ้น พลังงานเพิ่มเติมมาจากการจัดหาออกซิเจนและคาร์บอนไปยังเตาเผา ในอดีตสิ่งนี้ทำด้วยหอก (ท่อเหล็กกลวงชนิดอ่อน) ที่ประตูตะกรัน ตอนนี้ส่วนใหญ่ทำด้วยชุดหัวฉีดติดผนังที่รวมหัวเผาเชื้อเพลิงออกซิเจนและระบบจ่ายอากาศเข้าเป็นเรือลำเดียว

เตาหลอมเหล็กขนาดกลางที่ทันสมัยมีหม้อแปลงไฟฟ้าที่พิกัดประมาณ 60,000,000 โวลต์แอมป์ (60 MVA) โดยมีแรงดันไฟฟ้ารอง 400 ถึง 900 และกระแสไฟเกิน 44,000 ในร้านค้าที่ทันสมัยเช่น เตาหลอมคาดว่าจะผลิตเหล็กเหลว 80 เมตริกตันในเวลาประมาณ 50 นาทีจากการโหลดเศษเหล็กเย็นจนถึงการกรีด

ในการเปรียบเทียบ เตาหลอมออกซิเจนพื้นฐานสามารถมีความจุได้ 150-300 ตันต่อชุด หรือ "ทำให้ร้อน" และสร้างความร้อนได้เป็นเวลา 30-40 นาที มีความแตกต่างอย่างมากในรายละเอียดการออกแบบและการทำงานของเตาหลอมขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายและสภาพท้องถิ่น ตลอดจนการวิจัยอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของพืช

เฉพาะเศษเหล็กที่ใหญ่ที่สุด (ในแง่ของน้ำหนักของก๊อกและพิกัดของหม้อแปลงไฟฟ้า) เป็นอุปกรณ์ DC ที่ส่งออกจากประเทศญี่ปุ่นโดยมีน้ำหนักก๊อก 420 เมตริกตันและป้อนด้วยหม้อแปลง 32 MVA จำนวน 8 ตัวสำหรับกำลังทั้งหมด 256 MBA

การผลิตเหล็กหนึ่งตันในเตาอาร์คไฟฟ้าใช้เวลาประมาณ 400 กิโลวัตต์-ชั่วโมง หรือประมาณ 440 กิโลวัตต์ต่อชั่วโมงต่อเมตริก พลังงานขั้นต่ำตามทฤษฎีที่จำเป็นสำหรับการหลอมเศษเหล็กคือ 300 kWh (จุดหลอมเหลว 1520 °C / 2768 °F) ดังนั้น EAF 300 ตันที่มีกำลัง 300 MVA จะใช้พลังงานประมาณ 132 MWh และเวลาในการเปิดเครื่องประมาณ 37 นาที

การผลิตเหล็กโดยใช้อาร์คไฟฟ้าจะประหยัดได้ก็ต่อเมื่อมีไฟฟ้าเพียงพอกับเครือข่ายที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดี ในหลาย ๆ แห่ง โรงสีทำงานในช่วงนอกชั่วโมงเร่งด่วน ซึ่งระบบสาธารณูปโภคมีกำลังการผลิตส่วนเกิน และราคาต่อเมตรก็ต่ำลง

ปฏิบัติการ

เตาเหล็กอาร์คเทเหล็กลงในเครื่องทัพพีขนาดเล็ก เศษโลหะถูกส่งไปยังช่องที่อยู่ถัดจากโรงหลอม เศษเหล็กมีแนวโน้มที่จะมาในสองประเภทหลัก: เศษ (สินค้าสีขาว รถยนต์ และรายการอื่น ๆ ที่ทำจากที่คล้ายกันเหล็กเบา) และหลอมหนัก (แผ่นพื้นและคานขนาดใหญ่) รวมทั้งเหล็กรีดิวซ์โดยตรง (DRI) หรือเหล็กหมูเพื่อความสมดุลทางเคมี เตาแยกละลายเกือบ 100% DRI

ขั้นตอนต่อไป

เศษเหล็กถูกบรรจุลงในถังขนาดใหญ่ที่เรียกว่าตะกร้า โดยมีประตูแบบฝาพับสำหรับฐาน ต้องใช้ความระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าเศษเหล็กอยู่ในตะกร้าเพื่อให้แน่ใจว่าเตาเผาทำงานได้ดี ละลายอย่างแรงวางอยู่ด้านบนด้วยชั้นป้องกันเศษเล็กเศษน้อยซึ่งส่วนอื่นอยู่ ทั้งหมดจะต้องอยู่ในเตาอบหลังจากโหลด ในเวลานี้ ตะกร้าสามารถเคลื่อนเข้าสู่เครื่องอุ่นเศษเหล็ก ซึ่งใช้ก๊าซจากโรงถลุงที่ร้อนและเย็นเพื่อนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่ ปรับปรุงประสิทธิภาพ

ล้น

จากนั้นก็นำเรือไปที่ร้านถลุง หลังคาของเตาหลอมถูกเปิดออกและบรรจุวัสดุเข้าไป การโอนย้ายเป็นหนึ่งในการดำเนินการที่อันตรายที่สุดสำหรับผู้ปฏิบัติงาน พลังงานศักย์จำนวนมากถูกปลดปล่อยออกมาจากโลหะจำนวนมากที่ตกลงมา ของเหลวใดๆ ในเตาหลอมมักจะถูกผลักขึ้นและลงด้วยเศษของแข็งและไขมัน ฝุ่นบนโลหะจะลุกไหม้หากเตาอบร้อน จนทำให้ลูกไฟระเบิด

ในอุปกรณ์แบบเปลือกสองชั้นบางรุ่น เศษเหล็กจะถูกบรรจุลงในส่วนที่สองในขณะที่ชิ้นแรกกำลังหลอมเหลว และก๊าซไอเสียจะถูกทำให้ร้อนล่วงหน้าจากส่วนที่ทำงานอยู่ การทำงานอื่นๆ ได้แก่ การโหลดอย่างต่อเนื่องและการทำงานกับอุณหภูมิบนสายพานลำเลียง ซึ่งจะทำการขนโลหะเข้าไปในเตาหลอมเอง อุปกรณ์อื่นสามารถบู๊ตได้สารร้อนจากการดำเนินการอื่นๆ

แรงดัน

หลังจากชาร์จ หลังคาเอนไปด้านหลังเตาและเริ่มหลอมละลาย อิเล็กโทรดจะถูกหย่อนลงบนเศษโลหะ ทำให้เกิดส่วนโค้ง จากนั้นจึงตั้งค่าให้กระจายในชั้นเศษที่ด้านบนของอุปกรณ์ การทำงานนี้ใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำเพื่อป้องกันหลังคาและผนังจากความร้อนที่มากเกินไปและความเสียหายจากส่วนโค้ง

เมื่ออิเล็กโทรดถึงจุดหลอมเหลวหนักที่ฐานของเตาหลอมและคลื่นถูกป้องกันโดยชะแลง แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นและอิเล็กโทรดจะยกขึ้นเล็กน้อย ยืดและเพิ่มพลังงานสำหรับการหลอมเหลว วิธีนี้จะทำให้บ่อหลอมเหลวก่อตัวเร็วขึ้น ช่วยลดเวลาการดึงออก

ออกซิเจนถูกเป่าเป็นเศษเหล็ก เผาหรือตัดเหล็ก และให้ความร้อนจากสารเคมีเพิ่มเติมโดยหัวเผาติดผนัง ทั้งสองกระบวนการเร่งการหลอมเหลวของสาร หัวฉีดที่มีความเร็วเหนือเสียงช่วยให้เจ็ตออกซิเจนสามารถเจาะตะกรันที่เป็นฟองและไปถึงอ่างของเหลว

ออกซิเดชั่นของสิ่งสกปรก

ส่วนสำคัญของการผลิตเหล็กคือการก่อตัวของตะกรันที่ลอยอยู่บนผิวเหล็กหลอมเหลว โดยปกติแล้วจะประกอบด้วยโลหะออกไซด์และยังทำหน้าที่เป็นที่เก็บสิ่งสกปรกที่ออกซิไดซ์ เป็นผ้าห่มระบายความร้อน (หยุดการสูญเสียความร้อนมากเกินไป) และยังช่วยลดการพังทลายของเยื่อบุวัสดุทนไฟ

สำหรับเตาหลอมที่มีวัสดุทนไฟพื้นฐานที่ผลิตเหล็กกล้าคาร์บอน ตัวสร้างตะกรันทั่วไปคือแคลเซียมออกไซด์ (CaO อยู่ในรูปของการเผามะนาว) และแมกนีเซียม (MgO ในรูปของโดโลไมต์และแมกนีไซต์) สารเหล่านี้อาจเต็มไปด้วยเศษเหล็กหรือถูกเป่าเข้าไปในเตาหลอมในระหว่างที่หลอมละลาย

องค์ประกอบที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือเหล็กออกไซด์ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อเหล็กถูกเผาด้วยออกซิเจน ต่อมาเมื่อถูกความร้อน คาร์บอน (ในรูปของถ่านหิน) จะถูกฉีดเข้าไปในชั้นนี้ ทำปฏิกิริยากับเหล็กออกไซด์เพื่อสร้างโลหะและคาร์บอนมอนอกไซด์ ส่งผลให้เกิดฟองของตะกรัน ส่งผลให้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงขึ้น สารเคลือบป้องกันความเสียหายต่อหลังคาและผนังด้านข้างของเตาอบจากความร้อนจากรังสี

การเผาไหม้สิ่งสกปรก

เมื่อเศษโลหะหลอมละลายจนหมดและถึงสระที่แบนราบแล้ว ก็สามารถบรรจุถังอีกใบเข้าไปในเตาหลอมได้ หลังจากที่ประจุที่สองละลายจนหมด กระบวนการกลั่นจะดำเนินการตรวจสอบและแก้ไของค์ประกอบทางเคมีของเหล็ก และทำให้หลอมละลายเหนือจุดเยือกแข็งเพื่อเตรียมการกรีด มีการแนะนำตัวสร้างตะกรันเพิ่มเติมและออกซิเจนจำนวนมากเข้าสู่อ่าง เผาสิ่งสกปรก เช่น ซิลิกอน กำมะถัน ฟอสฟอรัส อลูมิเนียม แมงกานีส และแคลเซียม และเอาออกไซด์ของพวกมันออกเป็นตะกรัน

การกำจัดคาร์บอนเกิดขึ้นหลังจากธาตุเหล่านี้หมดไปเสียก่อน เพราะมันคล้ายกับออกซิเจนมากกว่า โลหะที่มีสัมพรรคภาพต่ำกว่าเหล็ก เช่น นิกเกิลและทองแดง ไม่สามารถกำจัดออกได้โดยการออกซิเดชันและต้องควบคุมผ่านเคมีเท่านั้น ตัวอย่างเช่น การแนะนำเหล็กรีดิวซ์โดยตรงและเหล็กหล่อที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้

ตะกรันฟองยังคงอยู่ตลอดและมักจะล้นเตาอบเพื่อล้นจากประตูเข้าไปในหลุมที่ตั้งใจไว้ การวัดอุณหภูมิและการเลือกสารเคมีดำเนินการโดยใช้หอกอัตโนมัติ ออกซิเจนและคาร์บอนสามารถวัดได้แบบกลไกด้วยโพรบพิเศษที่แช่อยู่ในเหล็ก

ผลประโยชน์ในการผลิต

ใช้ระบบควบคุมสำหรับเตาหลอมอาร์คหลอมเหล็ก สามารถผลิตเหล็กจากวัตถุดิบ 100% - เศษโลหะได้ ซึ่งช่วยลดพลังงานที่จำเป็นในการผลิตสารได้อย่างมาก เมื่อเทียบกับการผลิตขั้นต้นจากแร่

ข้อดีอีกประการหนึ่งคือความยืดหยุ่น: ในขณะที่เตาหลอมเหล็กไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้มากนักและสามารถทำงานได้หลายปี แต่เตาหลอมนี้สามารถเริ่มและปิดได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยให้โรงถลุงเหล็กสามารถเปลี่ยนแปลงการผลิตได้ตามความต้องการ

เตาเหล็กอาร์คทั่วไปเป็นแหล่งของเหล็กสำหรับโรงสีขนาดเล็ก ซึ่งสามารถผลิตผลิตภัณฑ์แท่งหรือแถบ โรงถลุงแร่ขนาดเล็กสามารถตั้งอยู่ใกล้กับตลาดเหล็กได้ และข้อกำหนดด้านการขนส่งก็น้อยกว่าโรงงานแบบบูรณาการ ซึ่งมักจะตั้งอยู่ใกล้ชายฝั่งสำหรับการขนส่งทางน้ำ

อุปกรณ์เตาเหล็กอาร์ค

ส่วนตัดขวางแบบแผนผังคืออิเล็กโทรดที่ยกขึ้นและลงโดยไดรฟ์แบบแร็คแอนด์พิเนียน พื้นผิวปูด้วยอิฐทนไฟและแผ่นปิดด้านล่าง ประตูช่วยให้เข้าถึงภายในได้ส่วนต่าง ๆ ของอุปกรณ์ ตัวเตาอบวางอยู่บนแขนโยกเพื่อให้สามารถเอียงสำหรับการกรีด